EP1549418B1 - Verfahren zur behandlung eines gasstroms sowie gasaufbereitungssystem - Google Patents

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EP1549418B1
EP1549418B1 EP03750524.5A EP03750524A EP1549418B1 EP 1549418 B1 EP1549418 B1 EP 1549418B1 EP 03750524 A EP03750524 A EP 03750524A EP 1549418 B1 EP1549418 B1 EP 1549418B1
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EP
European Patent Office
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gas
gas flow
catalytic adsorber
catalytic
oxidation catalyst
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EP03750524.5A
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English (en)
French (fr)
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EP1549418A1 (de
Inventor
Axel Hill
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Areva GmbH
Original Assignee
Areva GmbH
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Publication date
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • B01D53/88—Handling or mounting catalysts
    • B01D53/885—Devices in general for catalytic purification of waste gases

Definitions

  • the invention relates to a process for the treatment of a gas stream in which the gas stream for the oxidation of entrained impurities is passed over a catalytic adsorber module. It further relates to a suitable gas processing system for carrying out the method.
  • impurities such as carbon monoxide (CO), molecular hydrogen (H 2 ), methane (CH 4 ), molecular oxygen (O 2 ), tritium, water (H 2 O ), Carbon dioxide (CO 2 ) and / or dust particles enter the helium used as primary coolant or cooling gas.
  • impurities can in turn lead to undesirable corrosion phenomena on the components mentioned.
  • the limitation of the concentration of such impurities in the cooling gas flow can be provided by the use of a gas purification system or a gas treatment system.
  • a partial flow of about 50 kg / h to 300 kg / h is usually taken from the helium cooling circuit and initially passed through a dust filter. Subsequently, the gas stream to be purified is heated to a temperature of about 250 ° C and fed to a so-called catalytic adsorber module.
  • the catalytic adsorber module serves on the one hand for the catalytic support of the envisaged conversion processes and on the other hand in the manner of a buffer for the intermediate storage of oxygen required in these processes.
  • the catalytic adsorber module which usually comprises a Cu-CuO mixture as the catalytically active adsorber component
  • an oxidation of the hydrogen and carbon monoxide entrained in the gas stream to be purified takes place at the appropriately selected operating temperature to form water (H 2 O). and carbon dioxide (CO 2 ).
  • the oxygen required for this is taken from the CuO fraction of the catalytically active adsorber material, so that, as a result of the reaction, continuous enrichment of the Cu fraction takes place at the expense of the CuO fraction.
  • the freed now of molecular hydrogen and carbon monoxide to be purified gas stream is usually cooled, wherein the entrained water and carbon dioxide components are deposited in a molecular sieve.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method for the treatment of a gas flow of the abovementioned type, with which reliable cleaning of the gas flow is made possible with a comparatively simple outlay on equipment. Furthermore, a particularly suitable gas processing system for carrying out the method should be specified.
  • this object is achieved according to the invention, in which the gas stream is passed in a first purification stage for the oxidation of entrained impurities via a first catalytic adsorber module and the gas stream molecular or atomic oxygen is mixed, wherein the offset with the admixed oxygen gas stream in a second purification stage an oxidation catalyst is conducted, and wherein the effluent from the oxidation catalyst gas stream is passed in a third purification stage for the reduction of excess oxygen via a second catalytic adsorber module.
  • the invention is based on the consideration that the apparatus and also the operational outlay for reliable cleaning of the gas stream using catalytic adsorber modules can be kept particularly low by, in particular, keeping the number of components required as a whole small.
  • the concept of gas treatment should therefore be geared to avoiding redundancies in the components used as much as possible.
  • the concept of treating the gas flow it should be possible for the concept of treating the gas flow to be oriented towards a continuous operation possibility of the respective catalytic adsorber module.
  • a Cu-CuO mixture is used as the catalytic adsorber material both in the first and in the second catalytic adsorber module.
  • first catalytic adsorber module which is provided in each case for the oxidation of entrained in the gas stream impurities, is carried out under release of the oxygen required for the oxidation, a conversion of the CuO content in the Cu content of the adsorber.
  • second catalytic adsorber in which the now present in the gas stream excess oxygen by adsorption is removed, a conversion of the CU content in the CuO portion of the catalytic adsorber material.
  • the catalytic adsorber modules can be made with regard to the gas flow, so that now enriched with CuO catalytic adsorber as first catalytic Adsorbermodul for the oxidation of entrained in the gas stream impurities and the Cu-enriched catalytic adsorber module is used as a second catalytic adsorber module for the reduction of excess oxygen.
  • the admixing of oxygen is expediently carried out in such a way that, in the second catalytic adsorber module seen on the gas flow side, sufficient excess oxygen is always available for the oxidation of catalytic adsorber material stored there.
  • a characteristic value for the fraction of entrained impurities in the gas stream is advantageously determined prior to the entry of the gas stream into the first catalytic adsorber module, by means of which the admixing rate for the oxygen is set in the gas stream.
  • the Zumischrate for the oxygen is advantageously adjusted so that based on the total entrained in the gas stream impurities oxygen deficiency prevails and thus at least parts of the oxidation of impurities in the first carried catalytic adsorber, and that based on the reaction provided in the oxidation catalyst further impurities oxygen excess is present, so that in the second catalytic adsorber module excess oxygen for Regenration there held catalytic adsorber is available.
  • the oxidation catalyst is preferably used for the treatment of impurities such as methane or tritium.
  • impurities such as methane or tritium.
  • a temperature of about 400 ° C to 450 ° C is advantageously set for the gas stream at its entry into the oxidation catalyst, so that at a sufficient extent provided oxygen can be carried out a particularly extensive implementation of said impurities in water and carbon dioxide.
  • a particularly resource-saving and thus economical operation is achievable by the gas stream is preheated in a particularly advantageous embodiment prior to its entry into the oxidation catalyst by recuperative heat exchange with the effluent from the oxidation catalyst gas stream.
  • the heat flowing in the gas stream flowing away from the oxidation catalyst is at least partially used for preheating the gas stream entering the oxidation catalyst, so that at least one additional heating, such as, for example, an additional electric heating, is required to set the final desired inlet temperature in the gas flow.
  • a Cu-CuO mixture as a catalytically active adsorbent material in the first catalytic adsorber module this is preferably used for the oxidation of entrained in the gas stream hydrogen and carbon monoxide.
  • a gas temperature of about 250 ° C. is advantageously set for the gas stream as it enters the first catalytic adsorber module.
  • the gas flow in a further advantageous embodiment preheated prior to its entry into the first catalytic adsorber module by recuperative heat exchange with the front of the second catalytic adsorber effluent gas stream.
  • the heat flow entrained in the gas stream flowing away from the second catalytic adsorber module and thus from the gas purification system is used to partially preheat the gas stream flowing to the gas purification system.
  • the method is used in the operation of a nuclear power plant for the treatment of a partial flow of a helium-cooling gas flow.
  • the partial flow of the helium-cooling gas stream is preferably purified by entrained impurities such as carbon monoxide, molecular hydrogen, methane, molecular oxygen, tritium, water and / or carbon dioxide.
  • the reaction of molecular hydrogen and carbon monoxide in water or carbon dioxide is preferably carried out in the first catalytic adsorber element. With timely admixing of a sufficient amount of oxygen is then carried out in the oxidation catalyst, the reaction of methane and / or tritium also to carbon dioxide and / or water.
  • the excess oxygen then still remaining in the gas stream is then used to enrich the second catalytic adsorber module and thereby removed again from the gas stream. Subsequently, a separation of the water and carbon dioxide components still present in the gas stream can take place in a conventional manner, which may possibly be supplemented by a separation of dust particles or noble gas activities. Subsequently, the thus purified helium gas partial stream is returned to the actual helium cooling circuit.
  • the method can be used in a particularly favorable manner to allow with comparatively few components, a continuous treatment of a gas stream. Since, in the treatment of the gas stream, the first catalytic adsorber module, viewed in the direction of flow of the gas stream, is reduced, but the second catalytic adsorber module is oxidized, as seen in the flow direction of the gas stream, in the first catalytic catalytic converter Adsorber module a continuous conversion of CuO in Cu and in the second catalytic adsorber module a continuous conversion of Cu in CuO.
  • the switching sequence of the catalytic adsorber modules in the flow path of the gas stream can be switched or reversed .
  • the second catalytic adsorber module hitherto used to remove oxygen from the gas stream is thus used as the newly interconnected first catalytic adsorber module, the oxygen embedded in this adsorber module now being released again to the gas stream during the treatment of the corresponding impurities.
  • the first catalytic adsorber module used hitherto for the oxidation of hydrogen or carbon monoxide in the gas stream is used as a newly interconnected second catalytic adsorber module after switching, the CuO portion of the catalytically active adsorber material being regenerated by the absorption of the excess oxygen from the gas stream.
  • a characteristic value for the proportion of possibly entrained oxygen is determined in the effluent from the second catalytic adsorber gas stream. After exceeding a predetermined limit for this characteristic, a complete conversion of the Cu content in the second catalytic adsorber module is concluded so that the positions of the first and second catalytic adsorber elements in the flow path of the gas stream are exchanged.
  • the stated object is achieved with at least two catalytic reactors connected in series with regard to a gas flow Adsorbermodulen, between the gas flow side, an oxidation catalyst is connected.
  • this is advantageously upstream of a feeding unit for molecular or atomic oxygen (check, see above) on the gas flow side.
  • a feeding unit for molecular or atomic oxygen check, see above
  • it is provided to make the feeding or admixing of the oxygen to the gas stream as needed and thus in dependence on the entrained in the gas stream impurities.
  • a set value transmitter assigned to the supply unit is advantageously connected on the input side to a sensor for the fraction of entrained impurities in the gas flow upstream of the first catalytic adsorber module, viewed upstream of the gas flow side.
  • the Gasaufleungssstem is suitably equipped for use in the treatment of a partial flow from a helium primary cooling circuit of a nuclear facility.
  • a Cu-CuO mixture are particularly favorable.
  • the catalytic adsorber modules of the gas treatment system each comprise a Cu-CuO mixture as a catalytic adsorber material.
  • an intermediate heating system expediently precedes this on the gas flow side.
  • the intermediate heating system advantageously comprises a recuperative heat exchanger, the primary side in a the oxidation catalyst associated Outflow line for the gas stream and the secondary side is connected in a the oxidation catalyst associated with the inflow line for the gas stream.
  • the recuperative heat exchanger is supplemented in a further advantageous embodiment by a heating element, advantageously an electric heater.
  • the gas treatment system is also designed for setting a particularly favorable operating temperature in the gas flow side first catalytic adsorber module. For this purpose, this is advantageously preceded by a heating system.
  • This heating system is also particularly resource-saving and thus economically operable by being advantageously designed for heat recovery from the gas stream flowing out of the gas treatment system.
  • the heating system comprises in a further advantageous embodiment, a recuperative heat exchanger, which is connected on the primary side in a second catalytic adsorber module associated discharge line for the gas stream and the secondary side in the first catalytic adsorber module associated inflow line for the gas stream.
  • the gas treatment system is designed for continuous operation, during which the first catalytic adsorber module is reduced on the gas flow side and the second catalytic adsorber module is oxidized on the gas flow side.
  • the gas treatment system is advantageously designed for a switching of the catalytic adsorber modules as required with regard to their interconnection in the flow path of the gas stream.
  • a common switching system for the flow guidance of the gas stream is expediently assigned to the catalytic adsorber modules.
  • a particularly compact construction of the gas treatment system can be achieved by, in a particularly advantageous development of its components, ie in particular the catalytic Adsorbermodule and the oxidation catalyst, but possibly also the heating systems with their heat exchangers and / or the feed unit for oxygen in the manner of an integrated design in one common pressure vessel are arranged.
  • all the components mentioned can be surrounded by a common pressure-carrying enclosure, which ensures pressure maintenance for the entire system.
  • the individual components arranged in this high-pressure containment can, due to the decoupling of the pressure maintenance of the structural design of the individual components, have a comparatively thin-walled design and are dimensioned small in terms of mechanical load-bearing capacity.
  • this makes possible a material-saving and therefore economical construction, while on the other hand comparatively fast heating and cooling processes of individual components and a fast and flexible adaptation of the respective required reaction temperatures to the gas stream to be cleaned are made possible due to the then comparatively small held thermally acted masses.
  • a thin-walled design of the active components enables a fast and reliable setting of a comparatively high temperature in the respective reaction zones, so that even in the short term a comparatively high degree of conversion in the individual reactions can be achieved.
  • recuperative heat exchanger in the common pressurized enclosure also allows effective cooling of the exiting gas stream before subsequent cleaning components, such as molecular sieves, at the same time effective heating of the incoming gas flow is ensured.
  • recuperative heat exchanger connected upstream of the oxidation catalytic converter enables effective cooling of the gas flow emerging from the oxidation catalytic converter, so that overheating of the second catalytic adsorber module connected downstream thereof is reliably prevented.
  • the gas conditioning system is connected to the helium refrigerant gas circuit of a nuclear facility.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that through the serial connection of an oxidation catalyst between a first and a second catalytic adsorber module targeted treatment of various impurities in the respective gas stream is made possible, wherein in the treatment of the gas stream, although the gas flow side seen first catalytic adsorber module Used oxidation purposes and thus the oxygen-carrying component is increasingly consumed, but at the same time the gas flow side seen second catalytic adsorber module can be used in reverse operation to remove excess oxygen from the gas stream, wherein regenerates its oxygen-carrying portion.
  • the gas conditioning system can be used without significant downtime, after simply switching the positions of the catalytic adsorber in the flow path of the gas stream, the previously regenerated adsorber as now gas flow side first catalytic adsorber module Oxidation of impurities in the gas stream used while the "spent" catalytic adsorber module is now regenerated.
  • the gas conditioning system 1 whose wiring diagram in FIG. 1 is shown, for the treatment of a gas stream G, namely a partial flow from the helium primary cooling circuit of a nuclear installation, not shown, is provided.
  • the Gasuafrungssystem 1 is connected via a gas supply line 2 and a gas discharge line 4 to the helium primary cooling circuit of the nuclear installation, not shown.
  • the gas treatment system 1 is provided for the targeted removal of impurities possibly carried along in the helium of the gas stream G, such as, for example, hydrogen, carbon monoxide, methane or tritium.
  • impurities possibly carried along in the helium of the gas stream G, such as, for example, hydrogen, carbon monoxide, methane or tritium.
  • the removal of hydrogen and carbon monoxide should be carried out via an oxidation to water or carbon dioxide, which are each deposited and retained in a switched into the gas discharge line 4, not shown molecular sieve.
  • the gas purification system comprises a number of catalytic adsorber modules 6.
  • Each catalytic adsorber module 6 contains a Cu-CuO mixture as the catalytic adsorber material.
  • this catalytic adsorber on the one hand, its property is used as a catalyst that supports the desired implementation of hydrogen in water or carbon monoxide in carbon dioxide.
  • this catalytic adsorber material also uses the ability to temporarily store oxygen, which is released as needed, ie in the desired reaction reaction, for the oxidation of hydrogen or carbon monoxide in the gas stream.
  • the gas treatment system 1 also has an oxidation catalyst 8.
  • the gas conditioning system is designed to avoid multiple redundancies and to minimize the number of components required for continuous operability.
  • the continuous operability is provided even for the case that the CuO content in the used for the oxidation of said impurities of the gas stream G catalytic adsorber module 6 is completely or almost completely used up.
  • the gas treatment system 1 comprises a plurality-in the exemplary embodiment two-identically designed catalytic adsorber modules 6.
  • the catalytic adsorber modules 6 are on the gas flow side via the inflow line 10 and the outflow line 12 connected in series, wherein the oxidation catalyst 8 is connected on the gas flow side between the catalytic adsorber 6.
  • the catalytic adsorber modules 6 are assigned a common switching system 14 which has a first switching unit 16 arranged at the end of the catalytic adsorber modules 6 and a second switching unit arranged at the other end of the catalytic adsorber modules 6 18 includes.
  • the switching units 16, 18 are thereby, as indicated by the double arrow 20, in operative connection, so that a suitable synchronous switching of the flow path through the catalytic adsorber 6 is made possible.
  • the switching system 14 is designed such that with respect to the gas flow-side position or sequence in the series connection of the first catalytic adsorber 6, the Oxidationskatalystors 8 and the second catalytic adsorber 6, the positioning of the two catalytic adsorber 6 can be exchanged.
  • the catalytic adsorber module 6 shown in the figure above is connected on the input side via the outflow line 12 to the oxidation catalyst 8 and on the output side to the outflow line 4.
  • FIG. 1 for a first shift position shown in FIG. 1 shown as a lower module catalytic adsorber 6 on the input side connected to the gas supply line 2 and the output side via the inflow line 10 with the oxidation catalyst 8.
  • the catalytic adsorber module 6 shown in the figure above is connected on the input side via the
  • FIG. 1 is represented by the dashed lines drawn switching elements in the switching units 16,18.
  • the catalytic adsorber module 6 shown above is now upstream of the first catalytic adsorber module 6 via the inflow line 10
  • the lower catalytic adsorber module 6 as the second catalytic adsorber module 6 passes the oxidation catalyst 8 via the outflow line 12 is downstream.
  • the catalytic adsorber module 6, which is connected upstream of the oxidation catalyst 8 in the respective switching position as the first catalytic adsorber module 6, serves for the oxidation of hydrogen or carbon monoxide entrained in the gas stream G.
  • the CuO content of the respective catalytic adsorber module 6 releases oxygen into the gas stream G, in order thus to allow the oxidation.
  • a recuperative heat exchanger 22 is connected in the supply line 2, which is connected primary or heating side in the exhaust pipe 4.
  • the recuperative heat exchanger 22 is additionally associated with an electrically operated heater 24, which together with the recuperative heat exchanger 22, a heating system 26 for the gas conditioning system 1 forms.
  • the electric operable Heater 24 is controlled in terms of its heating power via a central control unit 28, which determines suitable manipulated variables for the electric heater 24 based on a variety of determined at suitable positions in the gas stream G operating parameters - as represented by the arrows 30.
  • the gas stream G is passed on to the oxidation catalyst 8. There takes place in the embodiment, a degradation of entrained methane or tritium.
  • a suitably selected amount of oxygen is mixed into the gas stream G via the feed unit 13.
  • the feed rate for the oxygen is set via the central control unit 28 on the basis of a characteristic value determined by a sensor 32 for the fraction of impurities entrained in the gas stream G.
  • an intermediate heating system 34 is connected upstream of the oxidation catalyst 8 on the gas flow side.
  • the recuperative heat exchanger 36 is supplemented by an electric heater 38, which is also controlled by the central control unit 28 in terms of its heat output.
  • a particularly intimate mixing of the oxygen fed in via the feed unit 13 with the gas stream G is provided before it enters the oxidation catalyst 8.
  • the oxidation catalyst 8 is preceded by a suitable mixer 40, for example a static mixer.
  • the gas stream G flowing out of the oxidation catalytic converter 8 still carries a residue of excess oxygen.
  • the gas stream G is passed before its discharge via the second catalytic adsorber module 6, viewed on the gas flow side.
  • the excess oxygen entrained in the gas stream is stored in the catalytic adsorber material held there.
  • the CuO content of the catalytic adsorber material stored in the gas flow side of the second catalytic adsorber module 6 is increased by incorporation of oxygen, the Cu content of this adsorber material being reduced.
  • the essential components of the gas treatment system 1 are integrated into a structural unit 42, as in longitudinal section in FIG. 2 and in cross section in FIG. 3 is shown.
  • the structural unit 42 has, in particular, a pressure-resistant, essentially cylindrical outer housing 44, which is common to the said components.
  • the outer housing 44 is designed for receiving the complete pressure load, so that the components arranged in it are comparatively thin-walled and without the requirement can be carried out separate mechanical load.
  • the oxidation catalyst 8 is arranged above which immediately the mixer 40 is positioned.
  • the feed unit 13 for the oxygen is arranged in the manner of an annular injection unit.
  • recuperative heat exchanger 36 is advantageously designed as a tube bundle heat exchanger.
  • the heating power of the heater 38 is adjustable. The exact arrangement of these components each associated heating elements can of course vary and be selected as needed.
  • the arrangement of the recuperative heat exchanger 36 and the oxidation catalyst 8 in the central region of the structural unit 42 ensures that only comparatively small heat losses occur, so that even with only low heat output, a particularly favorable degree of conversion can be achieved.
  • the two catalytic adsorber elements 6 are arranged in the embodiment rather in the outer region but within the outer housing 44. With regard to the dimensioning of the Cu / CuO reaction beds arranged therein, a ratio of reaction bed height to reaction bed length of about L / d ⁇ 4..8 is maintained. To compensate for thermal expansion compensators not shown are provided. For suitable process control, 6 temperature sensors 46 and suitably positioned sampling elements 48, which are to allow an analysis of the entrained in the gas stream G impurities arranged in the catalytic adsorber elements. The sensors provided for analysis are designed to be suitable for analyzing the contaminants. In particular, these may be gas chromatographs, mass spectrometers and / or sensors operating according to the heat dissipation or heat conduction methods.
  • the gas conditioning system 1 Due to the design of the gas conditioning system 1 as an integrated unit 42, a structural decoupling of the heat-loaded components from the pressure-loaded outer housing 44 is achieved.
  • the outer housing can be designed using commercially available materials with low material consumption and with the assurance of particularly high creep values, on the other hand the heat-loaded components can be made comparatively thin-walled.
  • the operation of the gas treatment system 1 is in particular designed to ensure that the second catalytic adsorber element 6, as a function of the respective switching position of the switching system 14, is regenerated by appropriate admission of excess oxygen for future use. Accordingly, the supply of oxygen in the feed unit 13 is adjusted such that even after the passage of the gas stream G through the oxidation catalyst 8 still sufficient excess oxygen for storage in the respective downstream catalytic adsorber 6 is available.
  • the supply of oxygen is carried out in particular such that based on the detected methane impurity in the gas stream G oxygen excess in the oxidation catalyst 8 prevails, so that even excess oxygen can be forwarded to the downstream catalytic adsorber 6.
  • the feed rate for the oxygen is adjusted in such a way that, based on the total detected impurities in the gas flow G, oxygen deficiency prevails. This ensures that the amount of oxygen dissolved out of its catalytic adsorber material in the oxidation of hydrogen or carbon monoxide in the gas flow side is greater than the amount of oxygen subsequently stored in the gas catalytic side second catalytic adsorber module 6.
  • the reduction reaction in the Cu-CuO mixture of the gas flow side seen first catalytic adsorber 6 runs faster than the oxidation reaction in the Cu-CuO mixture of the gas flow side seen second If, therefore, a "consumption" of oxygen in the gas flow side seen first catalytic adsorber 6 - are determined, for example, based on a hydrogen or carbon monoxide breakthrough, so is the Zuspeiserate for the oxygen in the feed unit 13 based on the total Pollution set an excess of oxygen, so that a reliable degradation of the remaining impurities in the oxidation catalyst 8 is ensured. As soon as subsequently a sufficiently high storage fraction of oxygen in the gas flow side second catalytic adsorber module 6 is detected, said switching can take place in the sequence of interconnection of the catalytic adsorber modules 6 with the oxidation catalyst 8.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung eines Gasstroms, bei dem der Gasstrom zur Oxidation mitgeführter Verunreinigungen über ein katalytisches Adsorbermodul geführt wird. Sie bezieht sich weiter auf ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Gasaufbereitungssystem.
  • Beim Betrieb einer kerntechnischen Anlage, insbesondere einer Kernkraftwerksanlage, ist die bestmögliche Vermeidung von Korrosionsschäden an wesentlichen Komponenten gerade im Primärbereich der jeweiligen Anlage, wie beispielsweise an Graphiteinbauten, Brennelementen oder sonstigen Komponenten im Reaktordruckbehälter, ein übliches Auslegungsziel. Gerade durch die weitgehende Vermeidung von Korrosionsschäden an diesen Komponenten soll nämlich die Standzeit oder Betriebsdauer verlängert und der möglicherweise erhebliche, mit der Behebung von Korrosionsschäden im Primärbereich der kerntechnischen Anlage verbundene Wartungs- und Reparaturaufwand gering gehalten werden. Aus diesem Grund kann bei einer kerntechnischen Anlage, insbesondere im Primärkreis eines Hochtemperaturreaktors, die Verwendung von Helium als Arbeits-oder Kühlmedium vorgesehen sein. Helium ist nämlich chemisch inert, so dass beispielsweise bei der Verwendung von Helium als Kühlgas für die genannten Komponenten mit Korrosionserscheinungen durch das Kühlgas an diesen Komponenten nicht gerechnet werden muss.
  • Allerdings können beim Betrieb der kerntechnischen Anlage, insbesondere beim Betrieb eines Hochtemperaturreaktors, Verunreinigungen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO), molekularer Wasserstoff (H2), Methan (CH4), molekularer Sauerstoff (O2), Tritium, Wasser (H2O), Kohlendioxid (CO2) und/oder Staubpartikel in das als Primärkühlmittel oder Kühlgas verwendete Helium gelangen. Diese Verunreinigungen können ihrerseits zu unerwünschten Korrosionserscheinungen an den genannten Komponenten führen. Um diese Effekte gering und insbesondere unterhalb vorgegebener, als noch zulässig erachteter Grenzen zu halten, kann die Begrenzung der Konzentration derartiger Verunreinigungen im Kühlgasstrom durch die Verwendung einer Gasreinigungsanlage oder eines Gasaufbereitungssystems vorgesehen sein.
  • Beim Betrieb eines derartigen Gasreinigungssystems wird üblicherweise ein Teilstrom von etwa 50kg/h bis 300kg/h aus dem Helium-Kühlkreislauf entnommen und zunächst über einen Staubfilter geführt. Anschließend wird der zu reinigende Gasstrom auf eine Temperatur von etwa 250°C erhitzt und einem sogenannten katalytischen Adsorbermodul zugeführt. Das katalytische Adsorbermodul dient dabei einerseits zur katalytischen Unterstützung der vorgesehenen Umwandlungsprozesse und andererseits in der Art eines Puffers zur Zwischenspeicherung von bei diesen Prozessen benötigtem Sauerstoff. Im katalytischen Adsorbermodul, das üblicherweise als katalytisch aktive Adsorberkomponente eine Cu-CuO-Mi-schung umfasst, erfolgt bei der genannten, geeignet gewählten Betriebstempera-tur eine Oxidation des im zu reinigenden Gasstrom als Verunreinigung mitgeführten Wasserstoffs und Kohlenmonoxids zu Wasser (H2O) und Kohlendioxid (CO2). Der dafür erforderliche Sauerstoff wird dem CuO-Anteil des katalytisch aktiven Adsorbermaterials entnommen, so dass in Folge der Umsetzung eine kontinuierliche Anreicherung des Cu-Anteils auf Kosten des CuO-Anteils erfolgt. Anschließend wird der nunmehr von molekularem Wasserstoff und von Kohlenmonoxid befreite zu reinigende Gasstrom üblicherweise gekühlt, wobei in einem Molekularsieb die mitgeführten Wasser- und Kohlendioxidbestandteile abgeschieden werden. Anschließend erfolgt üblicherweise eine sogenannte Tieftemperatur-Adsorbtion, bei der vorwiegend Methan, molekularer Sauerstoff und Spaltprodukte durch Adsorbtion aus dem zu reinigenden Gasstrom entfernt werden. Nach erfolgter Entfernung der Verunreinigungen wird der nunmehr gereinigte Gasstrom dem Helium-Kühlkreislauf wieder zugeführt.
  • Ein derartiges Gasaufbereitungssystem ist jedoch insbesondere im Hinblick auf die Anzahl und die Installation der erforderlichen Komponenten vergleichsweise aufwändig. Zudem bedingt die Verwendung des katalytischen Adsorbermoduls in der genannten Art, dass nach erfolgtem "Verbrauch" der CuO-Anteile im katalytischen Adsorbermodul, d.h. nach nahezu vollständiger Umsetzung des CuO-Anteils in Cu, eine Regeneration durch Beaufschlagung mit Sauerstoff erforderlich ist, so dass das jeweilige Modul in dieser Zeit nicht für die Reinigung des Gasstroms zur Verfügung steht. Daher sind bei einem derartigen Gasaufbereitungssystem üblicherweise zwei oder noch mehr gleichartige Teilstränge parallel geschaltet, was den apparativen Aufwand noch mehr vergrößert. Ein derartiges Gasaufbereitungssystem ist in GB 1 470 795 offenbart.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Behandlung eines Gasstroms der oben genannten Art anzugeben, mit dem mit vergleichsweise einfach gehaltenem apparativen Aufwand eine zuverlässige Reinigung des Gasstroms ermöglicht ist. Des Weiteren soll ein zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignetes Gasaufbereitungssystem angegeben werden.
  • Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, in dem der Gasstrom in einer ersten Reinigungsstufe zur Oxidation mitgeführter Verunreinigungen über ein erstes katalytisches Adsorbermodul geführt und dem Gasstrom molekularer oder atomarer Sauerstoff zugemischt wird, wobei der mit dem zugemischten Sauerstoff versetzte Gasstrom in einer zweiten Reinigungsstufe über einen Oxidationskatalysator geführt wird, und wobei der aus dem Oxidationkatalysator abströmende Gasstrom in einer dritten Reinigungsstufe zur Reduktion von überschüssigem Sauerstoff über ein zweites katalytisches Adsorbermodul geführt wird.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass der apparative und auch betriebliche Aufwand für eine zuverlässige Reinigung des Gasstroms unter Verwendung von katalytischen Adsorbermodulen besonders gering gehalten werden kann, indem insbesondere die Anzahl der insgesamt erforderlichen Komponenten gering gehalten wird. Das Konzept zur Gasaufbereitung sollte daher auf eine weitgehende Vermeidung von Redundanzen bei den verwendeten Komponenten ausgerichtet sein. Um dementsprechend die Anzahl der parallel geschalteten, gleichwirkenden Teilstränge besonders gering halten zu können oder das Gasaufbereitungssystem hinsichtlich der Gasstromführung möglichst einsträngig ausführen zu können, sollte das Konzept zur Behandlung des Gasstroms auf eine kontinuierliche Betriebsmöglichkeit des jeweiligen katalytischen Adsorbermoduls hin ausgerichtet sein. Dies ist erreichbar durch die Verwendung zweier gasstromseitig in Reihe geschalteter katalytischer Adsorbermodule, von denen eines bei der Behandlung des Gasstroms in herkömmlicher Weise zur Oxidation der mitgeführten Verunreinigungen verwendet und dabei reduziert wird, wobei das jeweils andere katalytische Adsorbermodul zur Reduktion von Sauerstoff verwendet und dabei oxidiert wird.
  • Bei einer derartigen Ausgestaltung ist für den Fall, dass eines der Adsorbermodule vollständig "verbraucht" ist, also dass der jeweilige Bestandteil vollständig oxidiert bzw. reduziert ist, durch eine einfache Umkehrung der gasstromseitigen Verschaltung der katalytischen Adsorbermodule ein Weiterbetrieb des Gasaufbereitungssystems ermöglicht. Um die kombinierte Verwendung der katalytischen Adsorbermodule zur Oxidation einerseits und zur Reduktion andererseits zu ermöglichen, wird der Gasstrom zwischen den katalytischen Adsorbermodulen einer ohnehin erforderlichen weiteren Reinigungsstufe in einem Oxidationskatalysator unterzogen. Der hierzu erforderliche zusätzliche Sauerstoff wird dem Gasstrom an geeigneter Stelle vor dem Oxidationskatalysator zugemischt, wobei überschüssiger Sauerstoff im gasstromseitig nachfolgenden zweiten katalytischen Adsorbermodul zu dessen Oxidation und somit zu dessen Regeneration zur Verfügung steht.
  • Zweckmäßigerweise wird sowohl im ersten als auch im zweiten katalytischen Adsorbermodul jeweils ein Cu-CuO-Gemisch als katalytisches Adsorbermaterial verwendet. Im gasstromseitig gesehen ersten katalytischen Adsorbermodul, das jeweils zur Oxidation von im Gasstrom mitgeführten Verunreinigungen vorgesehen ist, erfolgt unter Freisetzung des zur Oxidation benötigten Sauerstoffs eine Umsetzung des CuO-Anteils in den Cu-Anteil des Adsorbermaterials. Im Gegensatz dazu erfolgt im gasstromseitig gesehen zweiten katalytischen Adsorbermodul, in dem der im Gasstrom nunmehr vorhandene überschüssige Sauerstoff durch Adsorbtion entfernt wird, eine Umwandlung des CU-Anteils in den CuO-Anteil des katalytischen Adsorbermaterials. Bei zunehmender Betriebsdauer bei der Behandlung des Gasstroms erfolgt somit im gasstromseitig gesehen ersten katalytischen Adsorbermodul eine zunehmende Anreicherung des Cu-Anteils und eine zunehmende Abreicherung des CuO-Anteils des dort vorgehaltenen katalytischen Adsorbermaterials, wohingegen im gasstromseitig gesehen zweiten katalytischen Adsorbermodul umgekehrt eine zunehmende Abreicherung des Cu-Anteils und eine zunehmende Anreicherung des CuO-Anteils des dort vorgehaltenen katalytischen Adsorbermaterials erfolgt. Sollte ein "Verbrauch" eines der katalytischen Adsorbermodule, also eine vollständige Umsetzung in Cu bzw. CuO des jeweils vorgehaltenen katalytischen Adsorbermaterials festgestellt werden, so kann eine Umverschaltung der katalytischen Adsorbermodule hinsichtlich der Gasstromführung vorgenommen werden, so dass nunmehr das mit CuO angereicherte katalytische Adsorbermodul als erstes katalytisches Adsorbermodul zur Oxidation von im Gasstrom mitgeführten Verunreinigungen und das mit Cu angereicherte katalytische Adsorbermodul als zweites katalytisches Adsorbermodul zur Reduktion von überschüssigem Sauerstoff verwendet wird.
  • Die Zumischung von Sauerstoff erfolgt dabei zweckmäßigerweise derart, dass im gasstromseitig gesehen zweiten katalytischen Adsorbermodul jederzeit ausreichend überschüssiger Sauerstoff zur Oxidation von dort vorgehaltenem katalytischem Adsorbermaterial zur Verfügung steht. Dazu wird vorteilhafterweise vor dem Eintritt des Gasstroms in das erste katalytische Adsorbermodul ein Kennwert für den Anteil mitgeführter Verunreinigungen im Gasstrom ermittelt, anhand dessen die Zumisch-Rate für den Sauerstoff in den Gasstrom eingestellt wird. Um dabei die gezielte Nutzung sowohl des ersten katalytischen Adsorbermoduls als auch des zweiten katalytischen Adsorbermoduls zu gewährleisten, wird die Zumischrate für den Sauerstoff vorteilhafterweise derart eingestellt, dass bezogen auf die insgesamt im Gasstrom mitgeführten Verunreinigungen Sauerstoffmangel herrscht und somit zumindest Teile der Oxidation der Verunreinigungen im ersten katalytischen Adsorbermodul erfolgen, und dass bezogen auf die im Oxidationskatalysator vorgesehene Umsetzung weiterer Verunreinigungen Sauerstoffüber-schuss vorliegt, so dass im zweiten katalytischen Adsorbermodul überschüssiger Sauerstoff zur Regenration des dort vorgehaltenen katalytischen Adsorbermaterials zur Verfügung steht.
  • Der Oxidationskatalysator wird bevorzugt zur Behandlung von Verunreinigungen wie Methan oder Tritium eingesetzt. Um dabei eine besonders hohe Umsetzungsrate und somit eine besonders sorgfältige Reinigung des Gasstroms von derartigen Verunreinigungen zu gewährleisten, wird für den Gasstrom bei seinem Eintritt in den Oxidationskatalysator vorteilhafterweise eine Temperatur von etwa 400°C bis 450°C eingestellt, so dass bei in ausreichendem Maße bereitgestellten Sauerstoff eine besonders weitgehende Umsetzung der genannten Verunreinigungen in Wasser und Kohlendioxid erfolgen kann. Eine besonders ressourcenschonende und somit wirtschaftliche Betriebsweise ist dabei erreichbar, indem der Gasstrom in besonders vorteilhafter Ausgestaltung vor seinem Eintritt in den Oxidationskatalysator durch rekuperativen Wärmetausch mit dem vom Oxidationskatalysator abströmenden Gasstrom vorgewärmt wird. Dabei wird die im vom Oxidationskatalysator abströmenden Gasstrom noch mitgeführte Wärme zumindest teilweise zur Vorwärmung des in den Oxidationskatalysator eintretenden Gasstroms genutzt, so dass zur Einstellung der endgültig gewünschten Eintrittstemperatur im Gasstrom allenfalls noch eine Zusatzbeheizung, wie beispielsweise eine elektrische Zusatzbeheizung, erforderlich ist.
  • Insbesondere bei der Verwendung eines Cu-CuO-Gemisches als katalytisch aktives Adsorbermaterial im ersten katalytischen Adsorbermodul wird dieses vorzugsweise zur Oxidation von im Gasstrom mitgeführtem Wasserstoff und Kohlenmonoxid verwendet. Um bei dessen Oxidation zu Wasser bzw. Kohlendioxid unter gezielter Ausnutzung der katalytischen Eigenschaften von Cu eine besonders günstige Reaktionsrate und einen besonders günstigen Reaktionsgrad sicherzustellen, wird für den Gasstrom bei seinem Eintritt in das erste katalytische Adsorbermodul vorteilhafterweise eine Temperatur von etwa 250°C eingestellt. Auch hier ist eine besonders ressourcenschonende und somit wirtschaftliche Betriebsweise erreichbar, indem in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Gasstrom vor seinem Eintritt in das erste katalytische Adsorbermodul durch rekuperativen Wärmetausch mit dem vorn zweiten katalytischen Adsorbermodul abströmenden Gasstrom vorgewärmt wird. Somit wird bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung der im vom zweiten katalytischen Adsorbermodul und somit vom Gasreinigungssystem insgesamt abströmenden Gasstrom noch mitgeführte Wärmeinhalt zur teilweisen Vorwärmung des dem Gasreinigungssystem zuströmenden Gasstroms genutzt.
  • In besonders vorteilhafter Weiterbildung wird das Verfahren beim Betreiben einer Kernkraftwerksanlage zur Behandlung eines Teilstroms eines Helium-Kühlgasstroms eingesetzt. Dabei wird der Teilstrom des Helium-Kühlgasstroms vorzugsweise von mitgeführten Verunreinigungen wie Kohlenmonoxid, molekularem Wasserstoff, Methan, molekularem Sauerstoff, Tritium, Wasser und/oder Kohlendioxid gereinigt. Die Umsetzung von molekularem Wasserstoff und Kohlenmonoxid in Wasser bzw. Kohlendioxid erfolgt dabei vorzugsweise im ersten katalytischen Adsorberelement. Unter rechtzeitiger Zumischung einer ausreichenden Menge von Sauerstoff erfolgt sodann im Oxidationskatalysator die Umsetzung von Methan und/oder Tritium ebenfalls zu Kohlendioxid und/oder Wasser. Der dann noch im Gasstrom verbliebene überschüssige Sauerstoff wird anschließend zur Anreicherung des zweiten katalytischen Adsorbermoduls verwendet und dabei wieder aus dem Gasstrom entfernt. Anschließend kann eine Abscheidung der noch im Gasstrom befindlichen Wasser- und Kohlendioxidbestandteile auf her-kömmliche Weise erfolgen, die ggf. noch um eine Abscheidung von Staubteilchen oder Edelgasaktivitäten ergänzt sein kann. Anschließend wird der somit gereinigte Helium-Gasteilstrom in den eigentlichen Helium-Kühlkreislauf zurückgeführt.
  • Gerade bei dieser Anwendung kann das Verfahren in besonders günstiger Weise genutzt werden, um mit vergleichsweise wenigen Komponenten eine kontinuierliche Behandlung eines Gasstroms zu ermöglichen. Da nämlich bei der Behandlung des Gasstroms das in Strömungsrichtung des Gasstroms gesehen erste katalytische Adsorbermodul reduziert, das Strömungsrichtung des Gasstroms gesehen zweite katalytische Adsorbermodul aber oxidiert wird, erfolgt im ersten katalytischen Adsorbermodul eine kontinuierliche Umsetzung von CuO in Cu und im zweiten katalytischen Adsorbermodul eine kontinuierliche Umsetzung von Cu in CuO.
  • Sobald festgestellt wird, dass eines der katalytischen Adsorbermodule vollständig "verbraucht" ist, dass also der Cu bzw. der CuO-Anteil vollständig in den jeweils anderen Gemischanteil umgesetzt ist, so kann eine Umschaltung oder Umpolung der Verschaltungsreihenfolge der katalytischen Adsorbermodule im Strömungspfad des Gasstroms erfolgen. Nach erfolgter Umschaltung wird somit das bislang zur Entfernung von Sauerstoff aus dem Gasstrom genutzte zweite katalytische Adsorbermodul als das neu verschaltete erste katalytische Adsorbermodul weitergenutzt, wobei der in diesem Adsorbermodul eingebettete Sauerstoff nunmehr wieder bei der Behandlung der entsprechenden Verunreinigungen im Gasstrom an diesen abgegeben wird. Das bisher zur Oxidation von Wasserstoff oder Kohlenmonoxid im Gasstrom verwendete erste katalytische Adsorbermodul wird nach der Umschaltung als neu verschaltetes zweites katalytisches Adsorbermodul genutzt, wobei durch die Aufnahme des überschüssigen Sauerstoffs aus dem Gasstrom der CuO-Anteil des katalytisch aktiven Adsorbermaterials regeneriert wird.
  • Für eine rechtzeitige und besonders bedarfsgerechte Einleitung der Umschaltung wird vorteilhafterweise im aus dem zweiten katalytischen Adsorbermodul abströmenden Gasstrom ein Kennwert für den Anteil von möglicherweise mitgeführtem Sauerstoff ermittelt. Nach dem Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts für diesen Kennwert wird auf eine vollständige Umsetzung des Cu-Anteils im zweiten katalytischen Adsorbermodul geschlossen, so dass die Positionen des ersten und des zweiten katalytischen Adsorberelements im Strömungspfad des Gasstroms ausgetauscht werden.
  • Bezüglich des Gasaufbereitungssystems wird die angegebene Aufgabe gelöst mit mindestens zwei im Hinblick auf einen Gasstrom in Reihe geschalteten katalytischen Adsorbermodulen, zwischen die gasstromseitig ein Oxidationskatalysator geschaltet ist.
  • Um die vorgesehene Umsetzung der jeweiligen Verunreinigungen im Oxidationskatalysator in besonderem Maße zu begünstigen, ist diesem vorteilhafterweise gasstromseitig eine Zuspeiseeinheit für molekularen oder atomaren Sauerstoff (prüfen, s.o.) vorgeschaltet. In besonders vorteilhafter Weiterbildung ist dabei vorgesehen, die Zuspeisung oder Zumischung des Sauerstoffs zum Gasstrom bedarfsgerecht und somit in Abhängigkeit von den im Gasstrom mitgeführten Verunreinigungen vorzunehmen. Um dies zu ermöglichen, ist ein der Zuspeiseeinheit zugeordneter Stellwertgeber vorteilhafterweise eingangsseitig mit einem dem gasstromseitig gesehen ersten katalytischen Adsorbermodul vorgeschalteten Sensor für den Anteil mitgeführter Verunreinigungen im Gasstrom verbunden.
  • Das Gasaufbereitungssstem ist zweckmäßigerweise für einen Einsatz bei der Behandlung eines Teilstroms aus einem Helium-Primärkühlkreislauf einer kerntechnischen Anlage ausgerüstet. Gerade für die Entfernung typischer Verunreinigungen wie molekularem Wasserstoff oder Kohlenmonoxid aus einem Helium-Gasstrom sind die katalytischen Eigenschaften einerseits und die Eignung zur Sauerstoffspeicherung andererseits eines Cu-CuO-Gemisches besonders günstig. Vorteilhafterweise umfassen daher die katalytischen Adsorbermodule des Gasaufbereitungssystems jeweils ein Cu-CuO-Gemisch als katalytisches Adsorbermaterial.
  • Um die Einstellung besonders günstiger und bedarfsgerechter Betriebsparameter, wie insbesondere einer geeigneten Betriebstemperatur im Oxidationskatalysator, zu ermöglichen, ist diesem gasstromseitig zweckmäßigerweise ein Zwischenbeheizungssystem vorgeschaltet. Dieses ist besonders ressourcenschonend und somit wirtschaftlich betreibbar, indem es zur Wärmerückgewinnung vom aus dem Oxidationskatalysator abströmenden Gasstrom ausgelegt ist. Dazu umfasst das Zwischenbeheizungsssystem vorteilhafterweise einen Rekuperativ-Wärmetauscher, der primärseitig in eine dem Oxidationskatalysator zugeordnete Abströmleitung für den Gasstrom und sekundärseitig in eine dem Oxidationskatalysator zugeordnete Zuströmleitung für den Gasstrom geschaltet ist.
  • Um in flexibler Betriebsweise eine bedarfsgerechte Einstellung einer gewünschten Eintrittstemperatur des Gasstroms in den Oxidationskatalysator zu ermöglichen, ist der Rekuperativ-Wärmetauscher in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung durch ein Beheizelement, zweckmäßigerweise einen elektrischen Heizer, ergänzt. In analoger Weise ist das Gasaufbereitungssystem auch für die Einstellung einer besonders günstigen Betriebstemperatur im gasstromseitig gesehen ersten katalytischen Adsorbermodul ausgelegt. Dazu ist diesem vorteilhafterweise ein Beheizungssystem vorgeschaltet. Auch dieses Beheizungssystem ist besonders ressourcenschonend und somit wirtschaftlich betreibbar, indem es vorteilhafterweise für eine Wärmerückgewinnung aus dem aus dem Gasaufbereitungssystem abströmenden Gasstrom ausgelegt ist. Dazu umfasst das Beheizungssystem in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung einen Rekuperativ-Wärmetauscher, der primärseitig in eine dem zweiten katalytischen Adsorbermodul zugeordnete Abströmleitung für den Gasstrom und sekundärseitig in eine dem ersten katalytischen Adsorbermodul zugeordnete Zuströmleitung für den Gasstrom geschaltet ist.
  • In besonders vorteilhafter Weiterbildung ist das Gasaufbereitungsystem für eine kontinuierliche Betriebsführung ausgelegt, bei der während des Betriebs das jeweils gasstromseitig gesehen erste katalytische Adsorbermodul reduziert und das jeweils gasstromseitig gesehen zweite katalytische Adsorbermodul oxidiert wird. Um einen kontinuierlichen Betrieb auch nach vollständiger Umsetzung der jeweils aktiven Materialien bei diesen Reaktionen zu ermöglichen, ist das Gasaufbereitungssystem vorteilhafterweise für eine bedarfsweise Umschaltung der katalytischen Adsorbermodule hinsichtlich ihrer Verschaltung im Strömungsweg des Gasstroms ausgelegt. Dazu ist den katalytischen Adsorbermodulen zweckmäßigerweise ein gemeinsames Umschaltsystem für die Strömungsführung des Gasstroms zugeordnet.
  • Eine besonders kompakte Bauweise des Gasaufbereitungssystems ist erreichbar, indem in besonders vorteilhafter Weiterbildung dessen Komponenten, also insbesondere die katalytischen Adsorbermodule und der Oxidationskatalysator, ggf. aber auch die Beheizungssysteme mit ihren Wärmetauschern und/oder die Zuspeiseeinheit für Sauerstoff in der Art einer integrierten Ausführung in einem gemeinsamen Druckbehälter angeordnet sind. Dabei können sämtliche genannten Komponenten von einer gemeinsamen druckführenden Umschließung umgeben sein, die die Druckhaltung für das Gesamtsystem gewährleistet.
  • Die in dieser Hochdruckumschließung angeordneten Einzelkomponenten können infolge der Entkopplung der Druckhaltung von der strukturellen Ausführung der Einzelkomponenten vergleichsweise dünnwandig und hinsichtlich der mechanischen Belastbarkeit gering dimensioniert ausgeführt sein. Dies ermöglicht einer-seits eine materialsparende und somit wirtschaftliche Bauweise wobei andererseits aufgrund der dann vergleichsweise gering gehaltenen thermisch beaufschlagten Massen vergleichsweise schnelle Aufheiz- und Abkühlvorgänge einzelner Komponenten sowie eine schnelle und flexible Anpassung der jeweils benötigten Reaktionstemperaturen an den zu reinigenden Gasstrom ermöglicht sind. Insbesondere ermöglicht eine dünnwandige Ausführung der aktiven Komponenten eine schnelle und zuverlässige Einstellung einer vergleichsweise hohen Temperatur in den jeweiligen Reaktionszonen, so dass auch kurzfristig ein vergleichsweise hoher Umsetzungsgrad bei den einzelnen Reaktionen erreichbar ist.
  • Gerade auch die Integration des Rekuperativ-Wärmetauschers in die gemeinsame druckführende Umschließung ermöglicht darüber hinaus eine wirkungsvolle Abkühlung des austretenden Gasstroms vor nachfolgenden Reinigungskomponenten, wie beispielsweise Molekularsieben, wobei gleichzeitig eine wirkungsvolle Aufheizung des eintretenden Gasstroms gewährleistet ist. Ebenso ermöglicht der vor den Oxidationskatalysator geschalteten Rekuperativ-Wärmetauscher eine wirkungsvolle Abkühlung des aus dem Oxidationskatalysator austretenden Gasstroms, so dass eine Überhitzung des diesem nachgeschalteten zweiten katalytischen Adsorbermoduls zuverlässig vermieden ist.
  • Vorteilhafterweise ist das Gasaufbereitungssystem an den Helium-Kühlgaskreislauf einer kerntechnischen Anlage angeschlossen.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die serielle Verschaltung eines Oxidationskatalysators zwischen ein erstes und ein zweites katalytischen Adsorbermodul eine gezielte Behandlung verschiedenartiger Verunreinigungen im jeweiligen Gasstrom ermöglicht ist, wobei bei der Behandlung des Gasstroms zwar das gasstromseitig gesehen erste katalytische Adsorbermodul zu Oxidationszwecken verwendet und damit dessen sauerstofftragende Komponente zunehmend verbraucht wird, wobei aber gleichzeitig das gasstromseitig gesehen zweite katalytische Adsorbermodul in umgekehrter Betriebsweise zur Entfernung von überschüssigem Sauerstoff aus dem Gasstrom verwendet werden kann, wobei sich dessen sauerstofftragender Anteil regeneriert.
  • Somit sind der gewöhnliche Betrieb eines katalytischen Adsorbermoduls und die Regeneration eines katalytischen Adsorbermoduls gleichzeitig und somit in einem Arbeitsgang vollzogen. Auch nach eintretendem "Verbrauch" der sauerstofftragenden Komponente in dem gasstromseitig gesehenen ersten katalytischen Adsorbermodul kann das Gasaufbereitungssystem ohne nennenswerte Betriebspause weiter genutzt werden, nachdem durch einfache Umschaltung der Positionen der katalytischen Adsorbermodule im Strömungspfad des Gasstroms das bisher regenerierte Adsorbermodul als nunmehr gasstromseitig erstes katalytische Adsorbermodul zur Oxidation von Verunreinigungen im Gasstrom verwendet und dabei gleichzeitig das "verbrauchte" katalytische Adsorbermodul nunmehr regeneriert wird. Durch den damit ermöglichten kontinuierlichen Betrieb des Gasaufbereitungssystems, bei dem keine Betriebspausen zur gezielten Regeneration einzelner Adsorbermodule mehr erforderlich sind, können Redundanzen oder mehrsträngige Ausführungen derartiger System entfallen oder zumindest reduziert werden. Gerade durch die Integration der aktiven Komponenten in eine gemeinsame druckführende Umhüllung ist zudem eine besonders kompakte und somit platzsparende Bauweise erreicht, bei der zudem aufgrund der Entkopplung der Druckhaltung von den thermisch belasteten Strukturteilen eine besonders einfache und schnelle Verfahrensführung ermöglicht ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
    • Figur 1
    schematisch den Schaltungsplan eines Gasaufbereitungssystems,
    Figur 2
    das Gasaufbereitungssystem nach Figur 1 im Längsschnitt und
    Figur 3
    das Gasaufbereitungssystem gemäß Figuren 1 und 2 im Querschnitt.
  • Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Das Gasaufbereitungssystem 1, dessen Verschaltungsplan in Figur 1 dargestellt ist, ist zur Behandlung eines Gasstroms G, nämlich eines Teilstroms aus dem Helium-Primärkühlkreislauf einer nicht näher dargestellten kerntechnischen Anlage, vorgesehen. Dazu ist das Gasuafbereitungssystem 1 über eine Gaszuführungsleitung 2 und über eine Gasableitung 4 an den nicht näher dargestellten Helium-Primärkühlkreislauf der kerntechnischen Anlage angeschlossen.
  • Das Gasaufbereitungssystem 1 ist zur gezielten Entfernung von im Helium des Gasstroms G möglicherweise mitgeführten Verunreinigungen, wie beispielsweise Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan oder Tritium, vorgesehen. Die Entfernung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid soll dabei über eine Oxidation zu Wasser bzw. Kohlendioxid erfolgen, die jeweils in einem in die Gasableitung 4 geschalteten, nicht näher dargestellten Molekularsieb abgeschieden und zurückgehalten werden.
  • Zur Umsetzung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid in Wasser bzw. Kohlendioxid umfasst das Gasreinigungssystem eine Anzahl von katalytischen Adsorbermodulen 6. In jedem katalytischen Adsorbermodul 6 ist jeweils als katalytisches Adsorbermaterial ein Cu-CuO-Gemisch vorgehalten. Bei der Verwendung dieses katalytischen Adsorbermaterials wird einerseits dessen Eigenschaft als Katalysator genutzt, die die gewünschte Umsetzung von Wasserstoff in Wasser bzw. von Kohlenmonoxid in Kohlendioxid unterstützt. Andererseits wird bei diesem katalytischen Adsorbermaterial aber auch die Fähigkeit zur Zwischenspeicherung von Sauerstoff genutzt, der bedarfsweise, also bei der gewünschten Umsetzungsreaktion, zur Oxidation von Wasserstoff oder Kohlenmonoxid in den Gasstrom freigesetzt wird. Bei einem in diesem Betriebsmodus, also zur Oxidation von Wasserstoff oder Kohlenmonoxid betriebenen katalytischen Adsorbermodul 6 erfolgt somit ein Abbau des CuO-Anteils im katalytischen Adsorbermaterial unter Anreicherung von dessen Cu-Anteil.
  • Zur gezielten Umsetzung von Methan oder Tritium in Kohlendioxid und/oder Wasser weist das Gasaufbereitungssystem 1 zudem einen Oxidationskatalysator 8 auf. Der Oxidationskatalysator 8, der als katalytisch aktive Komponente eine geeignet strukturierte Edelmetallwabe, vorzugsweise aus Platin und/oder Palladium, umfasst, ist eingangsseitig über eine Zuströmleitung 10 mit dem Gasstrom G beaufschlagt. Ausgangsseitig ist der Oxidationskatalysator 8 an eine Abströmleitung 12 für den Gasstrom G angeschlossen. Um die gewünschte Umsetzungsreaktion zur Entfernung der Verunreinigungen Methan oder Tritium im Oxidationskatalysator 8 zu ermöglichen, ist diesem in der Zuströmleitung 10 gasstromseitig eine Zuspeiseeinheit 13 für Sauerstoff vorgeschaltet. Im Ausführungsbeispiel ist dabei die Zuspeisung molekularen Sauerstoffs vorgesehen; es könnten aber auch andere geeignet gewählte Sauerstoffträger vorgesehen sein
  • Das Gasaufbereitungssystem ist zur Vermeidung vielfältiger Redundanzen und zur Geringhaltung der Anzahl der insgesamt erforderlichen Komponenten für eine kontinuierliche Betreibbarkeit ausgestaltet. Die kontinuierliche Betreibbarkeit ist dabei selbst für den Fall vorgesehen, dass der CuO-Anteil im zur Oxidation der genannten Verunreinigungen des Gasstroms G verwendeten katalytischen Adsorbermodul 6 vollständig oder nahezu vollständig aufgebraucht ist. Um auch in diesem Fall einen Weiterbetrieb des Gasaufbereitungssystems 1 ohne zwischenzeitlich erforderliche Regenerationsphase für das katalytische Adsorbermodul 6 zu ermöglichen, umfasst das Gasaufbereitungssystem 1 eine Mehrzahl - im Ausführungsbeispiel zwei - gleichartig ausgebildete katalytische Adsorbermodule 6. Die katalytischen Adsorbermodule 6 sind dabei gasstromseitig über die Zuströmleitung 10 und die Abströmleitung 12 in Reihe geschaltete, wobei der Oxidationskatalysator 8 gasstromseitig zwischen die katalytischen Adsorbermodule 6 geschaltet ist. Zur gasstromseitigen Verschaltung der katalytischen Adsorbermodule 6 und des Oxidationskatalystors 8 miteinander ist den katalytischen Adsorbermodulen 6 ein gemeinsames Umschaltsystem 14 zugeordnet, das eine erste, endseitig an den katalytischen Adsorbermodulen 6 angeordnete Umschalteinheit 16 und eine zweite, am jeweils anderen Ende der katalytischen Adsorbermodule 6 angeordnete Umschalteinheit 18 umfasst. Die Umschalteinheiten 16, 18 stehen dabei, wie durch den Doppelpfeil 20 angedeutet, in Wirkverbindung, so dass ein geeignetes synchrones Umschalten des Strömungspfades durch die katalytischen Adsorbermodule 6 ermöglicht ist.
  • Das Umschaltsystem 14 ist dabei derart ausgestaltet, dass hinsichtlich der gasstromseitigen Position oder Abfolge bei der Hintereinanderschaltung des ersten katalytischen Adsorbermoduls 6, des Oxidationskatalystors 8 und des zweiten katalytischen Adsorbermoduls 6 die Positionierung der beiden katalytischen Adsorbermodule 6 gegeneinander ausgetauscht werden kann. Wie in der Darstellung nach Figur 1 für eine erste Schaltstellung gezeigt, ist das in Figur 1 als unteres Modul dargestellte katalytische Adsorbermodul 6 eingangsseitig mit der Gaszuführleitung 2 und ausgangsseitig über die Zuströmleitung 10 mit dem Oxidationskatalysator 8 verbunden. Im Gegensatz dazu ist in dieser Schaltstellung das in der Figur oben dargestellte katalytische Adsorbermodul 6 eingangsseitig über die Abströmleitung 12 mit dem Oxidationskatalysator 8 und ausgangsseitig mit der Abströmleitung 4 verbunden. In der in Figur 1 gezeigten Schaltstellung liegt somit eine gasstromseitige Hintereinanderschaltung des unteren katalytischen Adsorbermoduls 6 als erstes katalytisches Adsorbermodul 6, des Oxidationskatalysators 8 und des oberen katalytischen Adsorbermodul 6 als zweites katalytisches Adsorbermodul 6 vor.
  • Nach einer Umschaltung dieser Reihenschaltung durch das Umschaltsystem 14 kann jedoch auch eine alternative Schaltstellung eingenommen werden, die in Figur 1 durch die strichliert gezeichneten Schaltelemente in den Umschalteinheiten 16,18 repräsentiert ist. In dieser zweiten Schaltstellung ist nunmehr das oben dargestellte katalytische Adsorbermodul 6 als gasstromseitig gesehen erstes katalytisches Adsorbermodul 6 über die Zuströmleitung 10 dem Oxidationskatalysator 8 vorgeschaltet, wohingegen in dieser zweiten Schaltstellung das untere katalytische Adsorbermodul 6 als zweites katalytisches Adsorbermodul 6 dem Oxidationskatalysator 8 über die Abströmleitung 12 nachgeschaltet ist.
  • Dasjenige katalytische Adsorbermodul 6, das in der jeweiligen Schaltstellung als erstes katalytisches Adsorbermodul 6 dem Oxidationskatalysator 8 gasstromseitig vorgeschaltet ist, dient zur Oxidation von im Gasstrom G mitgeführtem Wasserstoff oder Kohlenmonoxid. Dabei gibt der CuO-Anteil des jeweiligen katalytischen Adsorbermoduls 6 Sauerstoff in den Gasstrom G ab, um somit die Oxidation zu ermöglichen. Um dabei eine für diese Reaktion besonders günstige Reaktionstemperatur im Gasstrom G mit vergleichsweise geringem betrieblichen Aufwand und ressourcenschonend zu ermöglichen, ist in die Zuführleitung 2 ein rekuperativer Wärmetauscher 22 geschaltet, der primär- oder beheizungsseitig in die Abgasleitung 4 geschaltet ist. Durch den Rekuperativ-Wärmetauscher 22 ist somit ein Wärmetransfer vom aus dem Gasaufbereitungssystem 1 abströmenden Gasstrom G auf den in das Gasaufbereitungssystem 1 einströmenden Gasstrom G möglich, so dass eine besonders ressourcenschonende Vorwärmung des einströmenden Gasstroms G gewährleistet ist. Um die Einstellung besonders günstiger Betriebsparameter, insbesondere einer für die gewünschte Umsetzungsreaktion besonders günstigen Betriebstemperatur von etwa 250°C zu ermöglichen, ist dem Rekuperativ-Wärmetauscher 22 ergänzend ein elektrisch betriebener Heizer 24 zugeordnet, der gemeinsam mit dem Rekuperativ-Wärmetauscher 22 ein Beheizungssystem 26 für das Gasaufbereitungssystem 1 bildet. Der elektrische betreibbare Heizer 24 ist dabei hinsichtlich seiner Heizleistung über eine zentrale Steuereinheit 28 angesteuert, die anhand einer Vielzahl von an geeigneten Positionen im Gasstrom G ermittelten Betriebsparametern - wie durch die Pfeile 30 repräsentiert - geeignete Stellgrößen für den elektrischen Heizer 24 vorgibt.
  • Nach erfolgtem Abbau der Wasserstoff- oder Kohlenmonoxidverunreinigungen im Gasstrom G im gasstromseitig gesehen ersten katalytischen Adsorbermodul 6 wird der Gasstrom G in den Oxidationskatalysator 8 weitergeleitet. Dort erfolgt im Ausführungsbeispiel ein Abbau von mitgeführtem Methan oder Tritium. Um diesen zu ermöglichen, wird über die Zuspeiseeinheit 13 eine geeignet gewählte Menge an Sauerstoff in den Gasstrom G zugemischt. Die Einspeiserate für den Sauerstoff wird dabei über die zentrale Steuereinheit 28 anhand eines von einem Sensor 32 ermittelten Kennwerts für den Anteil von im Gasstrom G mitgeführten Verunreinigungen eingestellt.
  • Um eine zuverlässige Reinigung des Gasstroms G von den genannten Verunreinigungen im Oxidationskatalysator 8 zu gewährleisten, ist die Einstellung eines für diesen besonders geeigneten Temperaturniveaus beim Eintritt des Gasstroms G in den Oxidationskatalysator 8 vorgesehen. Dazu ist dem Oxidationskatalysator 8 gasstromseitig ein Zwischenbeheizungssystem 34 vorgeschaltet. Dieses umfasst einen Rekuperativ-Wärmetauscher 36, der primärseitig in die Abströmleitung 12 und sekundärseitig in die Zuströmleitung 10 geschaltet ist. Über den Rekuperativ-Wärmetauscher 36 ist somit in ressourcenschonender Weise in der Art einer Wärmerückgewinnung ein Wärmeübertrag vom aus dem Oxidationskatalysator 8 abströmenden Gasstrom G auf den dem Oxidationskatalysator 8 zuströmenden Gasstrom G ermöglicht. Zur Endeinstellung einer für die Reaktion im Oxidationskatalysator 8 besonders günstigen Eintrittstemperatur des Gasstroms G von etwa 400°C bis 450°C ist der Rekuperativ-Wärmetauscher 36 ergänzt durch einen elektrischen Heizer 38, der hinsichtlich seiner Heizleistung ebenfalls über die zentrale Steuereinheit 28 angesteuert ist.
  • Um die im Oxidationskatalysator 8 ablaufende Oxidationsreaktion der genannten Verunreinigungen weiter zu begünstigen, ist eine besonders innige Vermischung des über die Zuspeiseeinheit 13 eingespeisten Sauerstoffs mit dem Gasstrom G vor dessen Eintritt in den Oxidationskatalysator 8 vorgesehen. Dazu ist dem Oxidationskatalysator 8 ein geeigneter Mischer 40, beispielsweise ein statischer Mischer, vorgeschaltet.
  • Nachdem im Oxidationskatalysator 8 die Oxidation der genannten Verunreinigungen durch Reaktion mit dem zugespeisten Sauerstoff erfolgt ist, führt der aus dem Oxidationskatalysator 8 abströmende Gasstrom G noch einen Rest an überschüssigem Sauerstoff mit. Zur Abscheidung dieses überschüssigen Sauerstoffs wird der Gasstrom G vor seiner Ableitung über das gasstromseitig gesehen zweite katalytische Adsorbermodul 6 geführt. Dabei wird der im Gasstrom mitgeführte überschüssige Sauerstoff in dem dort vorgehaltenen katalytischen Adsorbermaterial eingelagert. Insbesondere wird dabei der CuO-Anteil des im gasstromseitig gesehen zweiten katalytischen Adsorbermodul 6 vorgehaltenen katalytischen Adsorbermaterials durch Einlagerung von Sauerstoff erhöht, wobei sich der Cu-Anteil dieses Adsorbermaterials verringert. Durch die Einlagerung des überschüssigen Sauerstoffs wird somit der CuO-Anteil dieses katalytischen Adsorbermoduls 6 bereits beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Gasaufbereitungssystems 1 regeneriert, so dass nach ausreichender Betriebszeit dieses katalytische Adsorbermodul 6 erneut für eine Verwendung als gasstromseitig gesehen erstes katalytisches Adsorbermodul 6 zur Verfügung steht.
  • Für eine besonders kompakte und somit platz- und materialsparende Bauweise sind die wesentlichen Komponenten des Gasaufbereitungssystems 1 in eine konstruktive Einheit 42 integriert, wie sie im Längsschnitt in Figur 2 und im Querschnitt in Figur 3 gezeigt ist. Die konstruktive Einheit 42 weist dabei insbesondere ein für die genannten Komponenten gemeinsames druckfestes, im wesentlichen zylinderförmiges Außengehäuse 44 auf. Das Außengehäuse 44 ist dabei für eine Aufnahme der vollständigen Druckbelastung ausgelegt, so dass die in ihm angeordneten Komponenten vergleichsweise dünnwandig und ohne das Erfordernis gesonderter mechanischer Belastung ausgeführt sein können. Im Zentralbereich des Außengehäuses 44 ist der Oxidationskatalysator 8 angeordnet, oberhalb dessen unmittelbar der Mischer 40 positioniert ist. Wiederum oberhalb des Mischers 40 ist in der Art einer ringförmigen Einspritzeinheit die Zuspeiseeinheit 13 für den Sauerstoff angeordnet.
  • Unterhalb des Oxidationskatalysators 8 befindet sich im Ausführungsbeispiel der Rekuperativ-Wärmetauscher 36, ergänzt um den elektrischen Heizer 38. Der Rekuperativ-Wärmetauscher 36 ist dabei vorteilhafterweise als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt. Die Heizleistung des Heizers 38 ist regelbar. Die genaue Anordnung der diesen Komponenten jeweils zugeordneten Heizstäbe kann dabei selbstverständlich variieren und bedarfsgerecht gewählt werden. Die Anordnung des Rekuperativ-Wärmetauschers 36 und des Oxidationskatalysators 8 im Zentralbereich der konstruktiven Einheit 42 stellt dabei sicher, dass nur vergleichsweise geringe Wärmeverluste auftreten, so dass auch bei nur geringer Heizleistung ein besonders günstiger Umsetzungsgrad erreichbar ist.
  • Die beiden katalytischen Adsorberelemente 6 sind im Ausführungsbeispiel eher im Außenbereich aber innerhalb des Außengehäuses 44 angeordnet. Hinsichtlich der Dimensionierung der darin angeordnete Cu/CuO-Reaktionsbetten ist ein Verhältnis von Reaktionsbett-Höhe zu Reaktionsbett-Länge von etwa L/d ≅ 4..8 eingehalten. Zur Kompensation von Wärmedehnungen sind nicht näher dargestellte Kompensatoren vorgesehen. Zur geeigneten Verfahrensführung sind in den katalytischen Adsorberelementen 6 Temperatursensoren 46 sowie geeignet positionierte Probenahme-Elemente 48, die eine Analyse der im Gasstrom G mitgeführten Verunreinigungen ermöglichen sollen, angeordnet. Die zur Analyse vorgesehenen Sensoren sind dabei zur Analyse der Verunreinigungen geeignet ausgebildet. Insbesondere kann es sich dabei um Gaschromatographen, Massenspektrometer und/oder nach den Wärmelösungs-oder Wärmeleitverfahren arbeitende Sensoren handeln.
  • Durch die Ausführung des Gasaufbereitungssystems 1 als integrierte Einheit 42 ist eine strukturelle Entkopplung der wärmebelasteten Komponenten vom druckbelasteten Außengehäuse 44 erreicht. Durch diese Entkopplung kann einerseits das Außengehäuse unter Verwendung handelsüblicher Materialien mit geringem Materialverbrauch und unter Sicherstellung besonders hoher Zeitstandswerte ausgeführt sein, wobei andererseits die wärmebelasteten Komponenten vergleichsweise dünnwandig ausgeführt sein können.
  • Der Betrieb des Gasaufbereitungssystems 1 ist insbesondere darauf ausgerichtet, dass das abhängig von der jeweiligen Schaltstellung des Umschaltsystems 14 gasstromseitig gesehen zweite katalytische Adsorberelement 6 durch geeignete Beaufschlagung mit überschüssigem Sauerstoff für eine zukünftige Verwendung regeneriert wird. Dementsprechend wird die Einspeisung des Sauerstoffs in der Zuspeiseeinheit 13 derart eingestellt, dass auch nach dem Durchtritt des Gasstroms G durch den Oxidationskatalysator 8 noch ausreichend überschüssiger Sauerstoff zur Einlagerung in das jeweils nachgeschaltete katalytische Adsorbermodul 6 zur Verfügung steht.
  • Die Zuspeisung von Sauerstoff erfolgt dabei insbesondere derart, dass bezogen auf die festgestellte Methan-Verunreinigung im Gasstrom G Sauerstoffüberschuß im Oxidationskatalysator 8 herrscht, so dass noch überschüssiger Sauerstoff an das nachgeschaltete katalytische Adsorbermodul 6 weitergeleitet werden kann. Andererseits wird die Einspeiserate für den Sauerstoff aber derart eingestellt, dass bezogen auf die insgesamt festgestellten Verunreinigungen im Gasstrom G Sauerstoffunterschuß herrscht. Damit ist sichergestellt, dass die Menge des bei der Oxidation von Wasserstoff oder Kohlenmonoxid im gasstromseitig gesehen ersten katalytischen Adsorbermodul 6 aus dessen katalytischen Adsorbermaterial herausgelösten Sauerstoff größer ist als die Menge des nachfolgend im gasstromseitig gesehen zweiten katalytischen Adsorbermodul 6 wieder eingelagerten Sauerstoff. Damit läuft die Reduktionsreaktion im Cu-CuO-Gemisch des gasstromseitig gesehen ersten katalytischen Adsorbermoduls 6 schneller ab als die Oxidationsreaktion im Cu-CuO-Gemisch des gasstromseitig gesehen zweiten katalytischen Adsorbermoduls 6. Sollte demzufolge ein "Verbrauch" des Sauerstoffs im gasstromseitig gesehen ersten katalytischen Adsorbermoduls 6 - beispielsweise anhand eines Wasserstoff- oder Kohlenmonoxid-Durchbruchs - festgestellt werden, so wird für die Zuspeiserate für den Sauerstoff in der Zuspeiseeinheit 13 bezogen auf die insgesamt festgestellte Verunreinigung ein Sauerstoffüberschuß eingestellt, so dass ein zuverlässiger Abbau der noch verbliebenen Verunreinigungen im Oxidationskatalysator 8 gewährleistet ist. Sobald anschließend ein ausreichend hoher Einlagerungsanteil von Sauerstoff im gasstromseitig gesehen zweiten katalytischen Adsorbermodul 6 festgestellt wird, kann die genannte Umschaltung in der Reihenfolge der Verschaltung der katalytischen Adsorbermodule 6 mit dem Oxidationskatalysator 8 erfolgen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gasaufbereitungssystem
    2
    Gaszuführungssystem
    4
    Gasableitung
    6
    katalytisches Adsorbermodul
    8
    Oxydationskatalysator
    10
    Zuströmleitung
    12
    Abströmleitung
    13
    Zuspeiseeinheit
    14
    Umschaltsystem
    16, 18
    Umschalteinheit
    20
    Doppelpfeil
    22
    Rekuperativ-Wärmetauscher
    24
    elektrisch betriebener Heizer
    26
    Beheizungssystem
    28
    zentrale Steuereinheit
    30
    Pfeile
    32
    Sensor
    34
    Zwischenbeheizungssystem
    36
    Wärmetauscher
    38
    elektrischer Heizer
    40
    Mischer
    42
    konstruktive Einheit
    44
    Außengehäuse
    46
    Temperatursensoren
    48
    Probenahme-Elemente
    G
    Gasstrom

Claims (20)

  1. Verfahren zur Behandlung eines Gasstroms (G), bei dem der Gasstrom (G) in einer ersten Reinigungsstufe zur Oxidation mitgeführter Verunreinigungen über ein erstes katalytisches Adsorbermodul (6) geführt und dem Gas-strom (G) molekularer oder atomarer Sauerstoff zugemischt wird, wobei der mit dem zugemischten Sauerstoff versetzte Gasstrom (G) in einer zweiten Reinigungsstufe über einen Oxidationskatalysator (8) geführt wird, und wobei der aus dem Oxidationskatalysator (8) abströmende Gasstrom (G) in einer dritten Reinigungsstufe zur Reduktion von überschüssigem Sauerstoff über ein zweites katalytisches Adsorbermodul (6) geführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im ersten und im zweiten katalytischen Adsorbermodul (6) jeweils ein Cu/CuO-Gemisch als katalytisches Adsorbermaterial verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem vor dem Eintritt des Gasstroms (G) in das erste katalytische Adsorbermodul (6) ein Kennwert für den Anteil mitgeführter Verunreinigungen im Gasstrom (G) ermittelt wird, anhand dessen die Zumischrate für den Sauerstoff in den Gasstrom (G) eingestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem für den Gasstrom (G) bei seinem Eintritt in den Oxidationskatalysator (8) eine Temperatur von etwa 400°C bis 450°C eingestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Gasstrom (G) vor seinem Eintritt in den Oxidationskatalysator (8) durch rekuperativen Wärmetausch mit dem vom Oxidationskatalysator (8) abströmenden Gasstrom (G) vorgewärmt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem für den Gasstrom (G) bei seinem Eintritt in das erste katalytische Adsorbermodul (6) eine Temperatur von etwa 250°C eingestellt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Gasstrom (G) vor seinem Eintritt in das erste katalytische Adsorbermodul (6) durch rekuperativen Wärmetausch mit dem vom zweiten katalytischen Adsorbermodul (6) abströmenden Gasstrom (G) vorgewärmt wird.
  8. Verfahren zum Betreiben einer Kernkraftwerksanlage, bei dem ein Teilstrom eines Helium-Kühlgasstroms nach einem der Ansprüche 1 bis 7 behandelt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem im aus dem zweiten katalytischen Adsorbermodul (6) abströmenden Gasstrom (G) ein Kennwert für den Anteil von möglicherweise mitgeführtem Sauerstoff ermittelt wird, wobei nach dem Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts für diesen Kennwert die Positionen des ersten und des zweiten katalytischen Adsorberelements (6) im Strömungspfad des Gasstroms (G) ausgetauscht werden.
  10. Gasaufbereitungssystem (1) mit mindestens zwei im Hinblick auf einen Gasstrom (G) in Reihe geschalteten katalytischen Adsorbermodulen (6), zwischen die gasstromseitig ein Oxidationskatalysator (8) geschaltet ist.
  11. Gasaufbereitungssystem (1) nach Anspruch 10, dessen Oxidationskatalysator (8) gasstromseitig eine Zuspeiseeinheit (13) für molekularen oder atomaren Sauerstoff vorgeschaltet ist.
  12. Gasaufbereitungssystem (1) nach Anspruch 11, bei dem ein der Zuspeiseeinheit (13) zugeordneter Stellwertgeber eingangsseitig mit einem dem gasstromseitig gesehen ersten katalytischen Adsorbermodul (6) vorgeschalteten Sensor (32) für den Anteil mitgeführter Verunreinigungen im Gasstrom (G) verbunden ist.
  13. Gasaufbereitungsstem (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dessen katalytische Adsorbermodule (6) jeweils ein Cu/CuO-Gemisch als katalytisches Adsorbermaterial aufweisen.
  14. Gasaufbereitungssystem (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dessen Oxidationskatalysator (8) gasstromseitig ein Zwischenbeheizungssystem (34) vorgeschaltet ist.
  15. Gasaufbereitungssystem nach Anspruch 14, dessen Zwischenbeheizungssystem (34) einen Rekuperativ-Wärmetauscher (36) umfaßt, der primärseitig in eine dem Oxidationskatalysator (8) zugeordnete Abströmleitung (12) für den Gasstrom (G) und sekundärseitig in eine dem Oxidationskatalysator (8) zugeordnete Zuströmleitung (10) für den Gasstrom (G) geschaltet ist.
  16. Gasaufbereitungssystem (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dessen in Gasstromrichtung gesehen erstem katalytischen Adsorbermodul (6) ein Beheizungssystem (26) vorgeschaltet ist.
  17. Gasaufbereitungssystem (1) nach Anspruch 16, dessen Beheizungssystem (26) einen Rekuperativ-Wärmetauscher (22) umfaßt, der primärseitig in eine dem zweiten katalytischen Adsorbermodul (6) zugeordnete Gasableitung (4) und sekundärseitig in ein dem ersten katalytischen Adsorbermodul (6) zugeordnete Gaszuführungssystem (2) geschaltet ist.
  18. Gasaufbereitungssystem (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 17, bei dem den katalytischen Adsorbermodulen (6) ein gemeinsames Umschaltsystem (14) für die Strömungsführung des Gasstroms (G) zugeordnet ist.
  19. Gasaufbereitungssystem (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 18, bei dem die katalytischen Adsorbermodule (6) und der Oxidationskatalysator (8) in einem gemeinsamen Außengehäuse (44) Druckbehälter angeordnet sind.
  20. Gasaufbereitungssystem (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 19, das an den Helium-Kühlgaskreislauf einer kerntechnischen Anlage angeschlossen ist.
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